Toho Tenax America, Inc. - Tecnologia de Materiais...Toho Tenax America, Inc. Apresentação para Seminário Multissetorial Naval, Nautico e Petróleo & Gás Compósitos de fibra de

Toho Tenax America, Inc.

Apresentação para

Seminário Multissetorial

Naval, Nautico e Petróleo & Gás

Compósitos de fibra de carbono

(ênfase em tecnologias para o mercado

de Petróleo e Gás)

Rio de Janeiro – Brasil

4 de Setembro de 2013

Rodrigo Cesar Berardine

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• Promover entendimento básico de Fabricação da Fibra de Carbono e suas

propriedades

• Trazer discussão a respeito de novas tecnologias de compósitos de matriz

termofixa e termoplástica (abordagem de materiais e processos);

• Apresentar mercado e desenvolvimento de novas aplicações

OBJETIVOS

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FABRICAÇÃO E PROPRIEDADES DA FIBRA DE CARBONO

Processo de fabricação do Precursor (PAN)

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Diametro de filamento: 30µm Diametro de filamento: 20µm Diametro de filamento: 10µm

*Informação de propriedade da Toho Tenax

Características da Poliacrilonitrila

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Tensão de ruptura: 750MPa

Módulo de Elasticidade: 10Gpa

Alongamento: 15%

Aspecto: Filamento contínuo cor branca


Estiramento Oxidação Carbonização Tratamento superficial Bobinamento

BT AT

BT

Processo de fabricação da fibra de carbono

Planta química complexa: Nitrogenio, energia, gases tóxicos

Planta substancialmente grande de 200m comprimento, 18m altura

Três turnos, 24 horas de processo de produção em 360 dias/ano

2kgs de PAN para 1kg de fibra de carbono

Diâmetro final de monofilamento: 7µm (fibras de módulo padrão) a 5µm (fibras de módulo

intermediário, módulo alto e módulo ultra-alto)

Page 6 *Informação de propriedade da Toho Tenax

Linha de produção


Filamentos contínuos

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IMS65

HTS40

Vidro - S

Vidro - E

Aramida

Aço

Módulo

Padrão

Fibra de Carbono

Fibra de Vidro

Fibra de Aramida

Aço

Módulo de Tração (GPa)

Alto Módulo

Ultra-alto

Módulo

Módulo

Intermediário

Resis

tên

cia

à T

ração

(M

pa

)

690

1380

2070

2760

3450

0

4140

4830

5520

6210

69 138 207 276 345 414 483 552


• TEX: Densidade linear em g/km

• K: Quantidade de monofilamentos (Ex.: 12K = 12000 monofilamentos)

• Módulo

• Resistência à Tração

• Tipo de sizing

• Aeronautico ou Industrial

Classificação de Filamentos Contínuos


Fios Aeronauticos vs Fios Industriais

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Aeronautico:

• Documentação de Controle de Processo

(Solicitado pela FAA – Federal Aviation Administration)

• Propriedades Mecânicas Consistentes – pequenos desvios, maior segurança para design

• Auditorias sob requisitos específicos da indústria aeronautica.

• Maior controle de Qualidade e registros durante 7 anos (requisito legal)

• Benefícios em disponibilidade e segue uma política mais estável de preço

Industrial:

• Procedimentos padrões de rastreabilidade;

• Material “Meet-spec”, independentemente de mudanças de processo de manufatura.


Exemplos de processamento de Filamentos contínuos –

Compósitos Termofixos


• FABRICAÇÃO NO BRASIL: NÃO

• ESTOQUE LOCAL: SIM – A PARTIR DE SET/13.

• DISTRIBUIDORES NO BRASIL: SIM

• DOCUMENTAÇÕES DE CONTROLE DE APLICAÇÃO DO

PRODUTO E LICENÇAS SÃO NECESSÁRIAS EM TODOS

OS CASOS

DISPONIBILIDADE DE FILAMENTOS CONTÍNUOS

(SET/13)


Fabricação de compósitos com Filamentos Contínuos

Computer-assisted Lay Up / Velas / Industria Nautica

Page 13 *Imagem gentilmente cedida por Torben Grael / Magia V e

pela Olimpic Sails do Brasil para divulgação de tecnologia

Processo de Filament Winding

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*Website

http://www.moldedfiberglass.com/processes/filament-

winding-process

Fabricação de Compósitos com Filamentos Contínuos

Filament Winding / Tanques de Gás Natural / Transporte

Page 15

*Compressed natural gas pressure vessels at the JEC Europe

2012 Show (formerly JEC COMPOSITES Show), held March

27-29, in Paris, France.

Photo source: HPC / Photo: Jeff Sloan

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Fabricação de Compósitos com Filamentos Contínuos

RTM / Grades de Piso de Plataformas (Injetadas) / Petróleo

*Tecnologia GIS – Stratus Compósitos Estruturais Ltda.

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Diversified Structural Composites

Desenvolvimento e Fabricação de Pultrusões Especiais

www.diversified-composites.com

Processo de Pultrusão


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Propriedades de pultrusões em Fibra de Carbono

DIMENSIONS mm 1.73 6.50 6.50 12.70 12.7 X 1.90 19 X .76 102 X 1.57

FIBER TYPE STD MOD STD MOD A STD MOD B STD MOD STD MOD STD MOD STD MOD

FIBER VOLUME 67% 68% 68% 61% 61% 67% 61%

RESIN TYPE Epoxy Vinylester Vinylester Epoxy Epoxy Vinylester Epoxy

Tg (DMA) 145 118 100 145 185 118 110

Ksi 322 372 363 319 325 369 326

Mpa 2218 2566 2500 2200 2241 2544 2250

Msi 22.0 23.2 22.0 21.0 17.7 21.0 19.1

Gpa 152 160 152 145 122 145 132

DENSITY SG 1.57 1.56 1.56 1.53 1.55 1.57 1.53

CARBON FIBER RODS CARBON FIBER FLAT STRIPS

TENSILE STRENGTH

TENSILE MODULUS

TYPICAL PROPERTIES AND POINTS OF REFERENCE FOR DISCUSSION PURPOSE ONLY


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Fibra de Carbono no Mercado de Óleo & Gás

Exemplos de aplicações da Fibra de Carbono


Page 21

Mangotes Flutuantes e Submersos

Projetos de redução de peso nas estruturas

de reforço dos mangotes (atualmente aço)


Page 22

Sistemas de Amarração de Plataformas

Necessidade de se reduzir

área ocupada pelas

amarrações

Alteração de design de hardware

gera potencial utilização

de compósitos em fibra

de carbono


Page 23

Bend Stiffeners

Tecnologia Atual Tecnologia Proposta

(Tecnologia Flexlife)


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Risers Flexíveis

“Substituição de armações de aço por compósitos em fibra de carbono

permite design para trabalho em catenária, sob tensão e pressão superior”


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Umbilicais

Atual Proposto

(Foto - Tecnologia Aker Kvaerner)


Page 26

Reparos Estruturais


Page 27

Reparos Estruturais


Page 28

TECIDOS E PREPREGS

Page 29

TECIDOS

RESISTÊNCIA MECÂNICA DOS TECIDOS DEPENDE DE:

- NUMERO DE FIOS/CM

- CONFIGURAÇÃO DO TECIDO

- RESISTÊNCIA MECÂNICA DO FILAMENTO CONTÍNUO


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Tecidos Unidirecionais

Tecidos Unidirecionais de Urdume

Tecidos Unidirecionais de Trama

*Imagem de propriedade Texiglass

Page 31

Reparos Estruturais


Laminação de Tecido Unidirecional

Tecidos Bidirecionais

Tecido tipo Tela (Plain Weave)

Page 32 *Imagem de propriedade Texiglass

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Tecido tipo Sarja

Sarja 2x2


Page 34

Tecidos 8HS


Page 35

Técnica avançada de tecelagem por

Espalhamento de fibra

*Imagens/Informação de propriedade

Textreme®/Oxeon

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TECIDOS MULTIAXIAIS

Multiplas camadas de tecido acopladas, podendo ainda conter manta acoplada;

Utilização típica em processos de infusão– moldes, industria Nautica,

Mercado aeronautico, Mercado de pás eólicas



Prepregs termofixos

• FABRICAÇÃO NO BRASIL DE TECIDOS PLANOS/PREPREGS: SIM –

SOMENTE INDUSTRIAIS (NÃO-AERONAUTICOS)

• FABRICAÇÃO NO BRASIL DE TECIDOS MULTIAXIAIS: NÃO

• DISTRIBUIDORES NO BRASIL: SIM

• DOCUMENTAÇÕES DE CONTROLE DE APLICAÇÃO DO PRODUTO E

LICENÇAS SÃO NECESSÁRIAS PARA IMPORTAÇÃO

DISPONIBILIDADE DE TECIDOS E PREPREGS

DE FIBRA DE CARBONO NO BRASIL


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Tecnologia de Materiais Compósitos Termoplásticos

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Tenax® ThermoPlastic UniDirectional (TPUD)

(Termoplásticos com reforço unidirecional)

Tenax® TPUD: Fabricação de Peças

TPUD

Hand Lay-up + junção local

(HLY)

Automated Tape Laying

(ATL)

Automated Fibre Placement

(AFP)

Vacuum bagging

Estufa

Autoclave

Prensa estática

5-30 min

(tempo de consolidação) Sem degasagem

(redução de tempo vs. TF)

Similar a Prepreg Termofixo

Lay-up Consolidação

usando calor e pressão

Filament Winding

(FW)

(semi)-Continuous

Press Forming (CPF)


Tenax®-E TPUD PEEK-HTS40

Tenax® TPUD

Nome comercial

FAW

weight

[g/m2]

Reforço Fibra

Conteúdo

de matriz

[%wt]

Matriz

Espessura

nominal

[mm]

TPUD PEEK-HTS40 145 UD HTS40 12k 34 PEEK Vestakeep® 2000

0.136

*TPUD PEEK-IMS65 145 UD IMS65 24k 34 PEEK 0.134

• Largura: 6.35 (¼”) to 304.8 mmW

• Fibra Tenax® com sizing específico para uso em matriz termoplástica

*in development


Tenax® TPUD

1mm

TPUD PEEK-HTS40 laminate

out of 8 plies (+/- 45°)

136 µm

Tenax®-E TPUD PEEK-HTS40

TPUD PEEK-HTS40

Press consolidated laminate

• Consolidação em prensa e vácuo é possível

• PEEK – Baixa sensitividade à cristalização 35 ± 3 %

• Baixo teor de vazios no reforço e no laminado < 2 %


NET SHAPE PREFORM TECHNOLOGY


Tenax® ThermoPlastics

Tenax® ThermoPlastic Consolidated Laminate (TPCL)

(Laminados Consolidados Termoplásticos)


Tenax® TPCL: Fabricação de peças

TPCL Corte de Pré-Forma

Aquecimento Termoformagem

& resfriamento

< 5 min < 5 min < 30 min

(dependendo de formato

e tamanho de laminado)

Acabamento

IR-oven Press


Fabricação na Premium Aerotec Gmbh.


Airbus A350 XWB – Clipe que fixa os Frames à

Fuselagem


Laminados

Tenax®-E TPCL PEEK-HTA40

Espessura

nominal

[mm]

Numero

de

camadas

Empilhamento das

camadas

Codigo de

empilhamento

Material na

superficie

Codigo

de

superf.

1.86 6 [(0,90)/(+45,-45)/(0,90)] A None (bare) B

1.94 6 [(0,90)/(+45,-45)/(0,90)] A

PEEK/Glass

layer on 1

side

1G

… … … … … …

• Tamanho do laminado: 800mm (urdume) x 1200 mm (0.96 m2)

• Espessura: De 1.24mm a 4.96 mm (4 a 16 camadas)

• Camadas de Vidro/PEEK & Bronze/PEEK podem ser adicionadas em um ou dois

lados


MERCADO BRASILEIRO DE FIBRA DE CARBONO

Page 50

MERCADO BRASILEIRO DE FIBRA DE CARBONO

Page 51

Fonte: Aliceweb

Obrigado!

Rodrigo Cesar Berardine

[email protected]

(11) 98706-1766

(11) 5070-3862

Page 52

mailto:[email protected]



Oxidação

Page 53

* http://www.despatch.com/carbon_fiber.aspx#&panel1-5 – Acessado em 28/5/2013

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